Эти размышления — не просто галлюцинации, а имеют отношение к научным событиям, которые мы наблюдали в двадцатом веке. Уравнение Ньютона, дающее закон притяжения, вне всякого сомнения, является моделью простоты, и ни одному мыслящему человеку даже последнего поколения не пришло бы в голову сомневаться в его точности. Легко усваиваемое выражение k (m.m1⁄r2) по-видимому выражает истину в законе, который действителен во веки веков. В этом выражении k обозначает гравитационную постоянную, то есть величину, которая неизменна во всей Вселенной; m и m1 — две массы, которые действуют притягательно друг на друга; а r — расстояние между ними. Но за Ньютоном последовал Эйнштейн, который доказал, что это выражение представляет лишь приближенное значение, которое оставляет небольшой остаток в виде ошибки, которую можно обнаружить, если применить величайшее утончение в наших методах наблюдения. Уравнения, установленные Эйнштейном, представляют собой приближение, которое следует считать окончательным на данный момент и которое может оставаться в силе тысячи лет. Они, безусловно, очень сложны, будучи включенными в систему дифференциальных уравнений внушающей трепет длины, и мы можем почувствовать искушение возразить вопросом: как они согласуются с постулатом Кирхгофа о том, что следует искать простейшее описание движений? Но это возражение отпадает, если мы внимательно вникнем в вопрос. Ибо простота заключается не только в том, чтобы быть кратким или исключать трудности из формулы, а скорее в утверждении простейшего отношения ко Вселенной в целом, которое не зависит от всех систем отсчета. Когда эта независимость доказана — а в случае Эйнштейна это так — сложный аспект формулы полностью исчезает в свете высшей простоты и единства системы мира, которая предстает перед нами — системы мира, которая направляется в соответствии с одним фундаментальным законом общей относительности как в движении электронов, так и в движении самых далеких звезд. Что касается другого постулата, постулата полноты, т.е. абсолютной точности, то нам были предоставлены доказательства, которые по праву вызвали удивление нынешнего поколения. Но должны ли мы тогда признать принцип приближения во всех направлениях? Неужели нет ничего, что можно доказать строго, ничего, что было бы безусловно верным в форме знания, которая точно соответствует истине?
Мы склонны думать о математических теоремах, которые, будучи однажды доказанными, очевидны в той же степени, что и аксиомы, из которых они были выведены, в силу логики, которую нельзя оспорить, поскольку противоречие ведет к абсурду. Было сказано, что математика est scientia eorum, qui per se clara sunt, то есть является наукой о том, что самоочевидно.
Но здесь снова возникают сомнения. Если бы мы узнали хотя бы один случай, в котором самоочевидное потерпело крах, путь к дальнейшим сомнениям становится открытым. Такой случай будет сейчас процитирован.
Как мы знаем, касательная — это прямая линия, которая соприкасается с кривой в двух совпадающих (или бесконечно близких) точках, не пересекая саму кривую. Простейший случай этого — перпендикуляр в конце радиуса круга. И это полностью согласуется с тем, что наше чувство заставляет нас ожидать, когда утверждается, что каждая кривая линия, которая является «непрерывной», то есть не обнаруживает разрыва и внезапного изгиба, имеет касательную в каждой точке. Анализ, который рассматривает плоские кривые как уравнения с двумя переменными, дает направление касательной в терминах дифференциального коэффициента и, соответственно, объявляет, что каждая непрерывная функция имеет дифференциальный коэффициент, то есть может быть продифференцирована в каждой точке. Одно утверждение сводится к тому же, что и другое, поскольку для каждого функционального выражения должна существовать эквивалентная графическая картина.
Но эта, казалось бы, рудиментарная теорема содержит ошибку, которая не была обнаружена до 1875 года. Теория кривых существует веками, но никому не приходило в голову сомневаться в общей справедливости этой теоремы о касательных. Она рассматривалась как самоочевидная, как математическая интуиция. И, конечно, ни Ньютон, ни Лейбниц, ни Бернулли, не говоря уже о математиках древних времен, даже не мечтали, что возможна непрерывная кривая без касательной или непрерывная функция без дифференциального коэффициента.
Более того, доказательство теоремы было принято. Оно появлялось в учебниках и часто звучало в лекционных залах; и не было предложено ни тени сомнения. Ибо это была не просто demonstratio ad oculos, но она представлялась непосредственно нашему чувству интуиции. И мы можем с уверенностью сказать, что до сегодняшнего дня никто никогда не был способен вообразить непрерывно изогнутую линию, которая не имеет касательной; никто не был способен представить даже одну точку такой кривой, в которой нельзя было бы провести касательную.
Тем не менее появились ученые, которые начали испытывать сомнения. В случае с Риманом и Шварцем эти сомнения приняли конкретную форму, в том, что они доказали, что некоторые функции являются неподатливыми в определенных точках. Но Вейерштрасс был первым, кто сделал реальную брешь в старом убеждении, которое было так глубоко укоренено. Он создал функцию, которая непрерывна в каждой точке, но дифференцируема ни в одной точке. Графическая картина, таким образом, должна была бы быть непрерывной кривой, не имеющей касательной вовсе.
Как выглядит такая конфигурация? Мы не знаем и, по-видимому, никогда не узнаем. Во время беседы, в которой возникла эта проблема Вейерштрасса, Эйнштейн сказал, что такая кривая лежит за пределами силы воображения. Следует отметить, что, хотя математическое выражение функции Вейерштрасса не совсем простое, оно не является чрезмерно сложным. Более того, видя, что одна такая функция (или кривая) существует, вскоре к ней будут добавлены другие (Пуанкаре упоминает, что Дарбу действительно привел другие примеры даже в том же году, когда была открыта первая); их, действительно, будет найдено бесконечное множество. Мы можем пойти еще дальше и сказать, что для каждой кривой, имеющей касательные, существует бесконечное множество тех, которые не имеют касательных, так что первые составляют исключение, а не правило. Это ошеломляющее признание, которое потрясает основы наших математических убеждений, однако выхода нет.
Как мы можем применить принцип «приближения» к этим соображениям? Можем ли мы сказать, что теорема, в которую верили ранее, является приближением к математической истине?
Это возможно только условно, в некотором крайне ограниченном смысле, а именно, если мы представим себе тот момент в развитии науки, когда концепция и свойства касательных только начали исследоваться. По сравнению с этой стадией науки вышеупомянутая теорема обозначает первое приближение к истине, несмотря на свою некорректность; ибо она знакомит нас с огромным изобилием кривых, которые очень важны для нас и которые демонстрируют касательные в каждой точке. Это знание приближает нас на шаг к более приблизительной истине, данной примером Вейерштрасса. В далеком будущем прилежный студент будет изучать эту теорему лишь как любопытный анекдот, точно так же, как мы слышим о некоторых астрологических и алхимических заблуждениях. Он узнает, кроме того, другие теоремы, которые считаются доказанными нами, людьми сегодняшнего дня, хотя на самом деле они были доказаны лишь приблизительно. Ибо что это значит, когда Гаусс, например, отверг некоторые доказательства более ранних алгебраистов как «недостаточно строгие» и заменил их более строгими доказательствами? Это означает не что иное, как то, что и в математике то, что кажется одному исследователю безупречным, строгим и очевидным, другим находится как имеющее пробелы и слабости. Абсолютная правильность принадлежит только тождествам, тавтологиям, которые абсолютно истинны сами по себе, но не могут принести плодов. Таким образом, в основе каждой теоремы и каждого доказательства лежит несоизмеримый элемент догмы, и во всех них, взятых вместе, есть догма непогрешимости, которую никогда нельзя ни доказать, ни опровергнуть.
Должно казаться чрезвычайно интересным, что на первый взгляд этот пример с касательной имеет свой эквивалент в самой Природе, а именно в молекулярных движениях, исследование которых опять же во многом принадлежит Эйнштейну.
Жан Перрен, автор знаменитой книги «Атомы», описывает во введении связь между этим таинственным математическим фактом и результатами, которые видны и могут быть показаны экспериментом, к которым нас привело изучение некоторых молочно-белых (коллоидных) жидкостей.
Если, например, мы посмотрим на один из тех белых хлопьев, которые мы получаем при смешивании мыльного раствора с поваренной солью, мы сначала видим его поверхность четко очерченной, но чем ближе мы подходим к ней, тем более нечетким становится контур. Глазу постепенно становится невозможно провести касательную к точке поверхности; прямая линия, которая при поверхностном взгляде кажется идущей по касательной, при более внимательном рассмотрении оказывается наклонной или даже перпендикулярной к поверхности. Ни один микроскоп не преуспевает в рассеивании этой неопределенности. Напротив, всякий раз, когда увеличение увеличивается, кажется, что появляются новые неровности, и нам никогда не удается прийти к непрерывной картине. Такое хлопье предоставляет нам модель для общей концепции функции, которая не имеет дифференциального коэффициента. Когда с помощью микроскопа мы наблюдаем так называемое броуновское движение, которое является молекулярным по своей природе, мы имеем параллель к кривой, которая не имеет касательной, и у наблюдателя остается только идея функции, лишенной дифференциального коэффициента... Мы оказываемся вынужденными, в конечном счете, отказаться от надежды обнаружить однородность вообще при изучении материи. Чем дальше мы проникаем в ее тайны, тем больше мы видим, что она, материя, по своей природе губчатая и бесконечно сложная; все признаки указывают на то, что более внимательное рассмотрение выявит только больше разрывов.
У меня еще не было возможности увидеть эти броуновские движения под микроскопом, но я должен упомянуть, что Эйнштейн неоднократно говорил мне о них с большим энтузиазмом, своего рода объективного характера, ибо он не выдал ни словом, ни взглядом, что он сам проводил исследования, ведущие к определенным законам, которые имеют признанное место в истории молекулярной теории.
Как только мы подходим к вопросу о молекулярных неровностях, мы признаем, что, когда мы ранее говорили о фигуре Земли при обсуждении принципа «приближения», мы были еще очень далеки от предела, который можно вообразить. Мы установили три стадии: плоскость — сфера — эллипсоид вращения, как относительные геометрические ступени, за которыми должны быть еще дальнейшие геометрические приближения. Если мы представим себе, что все различия уровней из-за гор и долин устранены, например, и если мы предположим, что поверхность Земли состоит полностью из жидкости, не потревоженной ни малейшим дуновением ветра, даже тогда эллипсоид отнюдь не является окончательным описанием. Ибо теперь начинаются разрывы от молекулы к молекуле, бесконечное число конфигураций без касательных, макроскопические параллели того, что белое хлопье мыльного раствора показало микроскопически, и никакая мыслимая геометрия никогда не была бы адекватной, чтобы охватить эти явления. Мы приходим к никогда не завершаемому списку функций, которые никогда не могут быть описаны ни словами, ни символическими выражениями анализа.
Но даже если окончательная геометрическая истина скрыта за завесами Майи [6], у нас все еще остается утешение, что метод приближения, даже при применении к относительно скромной степени, дает замечательные результаты в области чисел. Рассмотрим на мгновение в простой фигуре круга отношение между окружностью и радиусом.
[6] Майя = видимость.
Как мы знаем, это отношение постоянно и называется в честь человека, который первым дал достоверное значение для него, числом Лудольфа, а именно π (пи). Таким образом, нет никакой разницы, рассматриваем ли мы круг размером с обручальное кольцо, или такой большой, как цирковая арена, или даже такой, радиус которого так же велик, как расстояние до Сириуса. И точно так же нет никакой разницы, что происходит с кругом, пока его измеряют; вышеупомянутое отношение должно оставаться постоянным.
Но здесь тоже слышится противоречие, исходящее из одного раздела современной науки. Оно напоминает высказывание Дове о том, что когда профессора не совсем уверены в чем-то, они всегда предваряют свои замечания фразой: «общеизвестно, что»... Мы поступили бы благоразумно, избегая этого метода выражения вообще, ибо даже когда мы чувствуем себя совершенно уверенными, призрак неизвестного скрывается за тем, что мы охотно назвали бы общеизвестным.
Теорема о том, что все круги без исключения подчиняются одному и тому же отношению мер, относится a priori к синтетическим суждениям. Но были открыты области мысли, в которых a priori потеряло свою силу. Математика — некогда квинтэссенция синтетических суждений a priori — теперь рассматривается как зависящая от физических условий. Физические условия, однако, эмпиричны и подвержены изменениям. Поэтому, поскольку a priori не подвержено изменениям, мы сталкиваемся с расхождением. Это ведет к вопросу: является ли эвклидова геометрия, с которой мы знакомы, единственно возможной геометрией? Или, в частности: является ли π единственно возможным отношением мер?
Эйнштейн отвечает отрицательно. Он не только показывает, как возможна другая геометрия, но и раскрывает то, что когда-то казалось немыслимым, а именно, что если мы хотим описать ход явлений Природы точно с помощью простейших законов, это не только невозможно сделать с помощью одной лишь эвклидовой геометрии, но мы должны использовать другую геометрию в каждой точке мира, зависящую от физического состояния в этой точке.
На сравнительно простом примере двух систем, вращающихся относительно друг друга, Эйнштейн показывает, что периферийное измерение вращающегося круга, если смотреть из другой системы, обнаруживает особенность, которая не сопровождает радиальное измерение. Ибо, согласно теории относительности, длину измерительного стержня следует рассматривать как зависящую от его ориентации. В приведенном случае стержень подвергается относительному сокращению только при приложении вдоль окружности, так что мы насчитываем больше шагов, чем когда измеряем окружность того же круга в покое, то есть при отсутствии вращения. Поскольку радиус остается постоянным в каждом случае, мы получаем относительно большее значение для π, что показывает, что мы больше не используем эвклидову геометрию.
И все же раньше, до того как такие соображения могли даже присниться, это π рассматривалось как абсолютно установленное и неизменное; и наблюдатели использовали все возможные средства для определения его значения как можно точнее.
В Византии в одиннадцатом и двенадцатом веках жил ученый Михаил Пселл, чья слава «первого из философов» простиралась далеко и широко, а чьи математические исследования считались достойными великого восхищения. Этот гроссмейстер обнаружил аналитическим и синтетическим путем, что круг следует рассматривать как геометрическое среднее между описанным и вписанным квадратом, что дает вышеупомянутой величине, как легко вычислить, значение √8, то есть 2.8284271.... Другими словами, длина окружности даже не в три раза больше радиуса.
У нас есть выбор: рассматривать результат Пселла как приближение или как сущую чепуху. Каждый школьник, который ради шутки измеряет круглый предмет, скажем, волчок, куском веревки, приходит к лучшему результату, но современники Пселла принимали эту совершенно неверную цифру с доверчивым почтением и продолжали воскурять фимиам у ног знаменитого мастера. Нам, людям настоящего времени, легко называть его ослом. Мы имеем такое же право сказать, что математики различаются не своей природой, а только порядком функций своего мозга. Если такой человек, как Пселл, промахнулся так сильно, возможно, что такие люди, как Ферма или Лагранж, также ошибались время от времени или даже постоянно.
Никакая небесная сила не даст нам определенной гарантии обратного, и все мы можем быть столь же неправы в своем суждении о признанных знаменитостях, как византийцы восемьсот лет назад в своей оценке Пселла.
В то время как последний получил значение «меньше 3», существуют ученые документы того же времени, которые сохранились, согласно которым значение π выходит ровно 4. По сравнению с этим грандиозным головотяпством даже наблюдения, упомянутые в Ветхом Завете, являются моделями утонченности. Ибо, как уже три тысячи лет назад, сказано о могучем бассейне в храме Соломона (Первая книга Царств, глава VII): «И сделал литое море, десять локтей от края до края: оно было круглое со всех сторон, и высота его пять локтей; и линия в тридцать локтей опоясывала его кругом». Таким образом, π здесь предстает как 3, приближение, которое больше не удовлетворяло поздние поколения. Мудрецы Талмуда пошли на шаг дальше, сказав «3 плюс немного больше»; и это грубо согласуется с фактическим значением.
Взгляд стал все глубже укореняться, что это π было главным столпом математической мысли и вычислений. Чем больше проблема квадратуры круга овладевала умами людей, тем большие усилия предпринимались, чтобы найти точное значение этого «немного больше» из Талмуда. С 1770 года мы знаем, что это невозможно, ибо π не является рациональным, то есть оно может быть представлено только как бесконечное и нерегулярное (то есть непериодическое) десятичное выражение. Оно занимает, далее, особый ранг как трансцендентная величина; этот факт был доказан Линдеманом только в 1882 году впервые. И все же даже в наши дни есть неисправимые приверженцы квадратуры, которые все еще охотятся за решением, потому что не могут избавиться от галлюцинации, что такая простая фигура, как круг, должна в конечном итоге подчиниться конструктивному процессу.
Правильным путем было выполнение еще более точного определения десятичных цифр. Вышеупомянутый Лудольф ван Цейлен дошел до 35-го знака после запятой; на рубеже восемнадцатого века был достигнут 100-й десятичный знак. С 1844 года, благодаря молниеносному счетчику Дазе, мы имеем его значение до 200-го десятичного знака, и это должно удовлетворить даже самые экстравагантные требования. Это число, связанное с кругом, является классическим примером того, как приближение, выразимое в цифрах очень малого значения, дает порядок точности, который можно описать только с использованием фантастических иллюстраций.